2种气密性测试方法在高等级生物安全实验室围护结构测试过程中的关联性探讨及研究
李屹 陆禹名 曹国庆 梁磊 杨冕 岳悦. 2种气密性测试方法在高等级生物安全实验室围护结构测试过程中的关联性探讨及研究[J]. 暖通空调，2023，48（3）.
Li Yi Lu Yuming Cao Guoqing Liang Lei Yang Mian Yue Yue. Discussion and research on correlation of two air tightness testing methods in high-level biosafety laboratory envelope air tightness tests[J]. build，2023,48（3）.
0 引言
大动物三级生物安全(ABSL-3)b2类实验室在规范的要求中属于“不能有效利用安全隔离装置操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室”[1],该环境内饲养实验动物所感染的病原体可通过气溶胶传播，对人员、动物或环境存在较大危害，且作为病原体宿主的动物体形较大，导致其饲养环境无法有效使用安全隔离装置，因此，要求该类动物饲养环境围护结构的气密性须满足防止内部空间的病原体等危害因子外逸至室外环境的要求。四级生物安全(ABSL-4/BSL-4)实验室在规范的要求中属于“利用具有生命支持系统的正压服操作常规量经空气传播致病性生物因子的实验室”[1],该区域内饲养实验动物所感染已知或未知的病原体会通过气溶胶或不明途径传播，且所研究的病原体目前没有预防和治疗措施。由于该类实验室所研究的病原体具有很强的未知性或危害性，因此，对围护结构的气密性指标同样具有严格的要求。
由于上述2类高等级生物安全实验室在风机故障、房间密闭消毒、室内设备发热时均可能导致室内与室外环境之间出现正压情况，从而增加病原体向室外扩散的风险。因此，我国现行国家标准GB 19489—2008《实验室 生物安全通用要求》[1]和GB 50346—2011《生物安全实验室建筑技术规范》[2]对这2类实验室围护结构气密性指标均有明确的要求，以减少室内空气经由围护结构向外界泄漏的风险，从而实现实验室内部与外界一定程度的隔离。其中对于大动物三级生物安全实验室而言，规范中均要求“动物饲养间及其缓冲间应达到在关闭受测房间所有通路并维持房间内的温度在设计范围上限的条件下，若使空气压力维持在250 Pa时，房间每小时泄漏的空气量应不超过受测房间净容积的10%”[1,2],即使用恒压法根据围护结构的泄漏量和体积率计算泄漏率；对于四级生物安全实验室，规范中则要求“应达到在关闭受测房间所有通路并维持房间内的温度在设计范围上限的条件下，当房间内的空气压力上升到500 Pa后，20 min内自然衰减的气压小于250 Pa”[1,2],其本质为使用压力衰减法对围护结构的泄漏情况进行描述，同样可根据测试环境大气压、温度计算出泄漏率。
本文依托国内现有高等级生物安全实验室现场气密性测试数据，结合理论计算，分析针对同一测试对象而言，采用2种方法计算所得泄漏率结果的一致性，以及2种测试方法相互间的替代性，以期为生物安全领域相关规范后续的修订提供必要的理论及数据支撑。
1 气密性测试方法与泄漏量的关系
1.1 气密性测试方法简介
压力衰减法通过按照一定时间间隔，对密封腔体自初始至终止过程中腔体内部温度和压力进行测试，根据温度和压力随时间的变化结果，计算得出腔体的实际泄漏率。通常初始读数和终止读数用于计算，其余中间读数用于控制检验条件。ISO 10648-2:1994《密封箱室 第2部分：密封性分级及其检验方法》[3]中给出了针对压力衰减法计算小时泄漏率Tf的公式：
Tf=60τ(pnT1p1Tn−1) (1)Τf=60τ(pnΤ1p1Τn-1) (1)
式中 Tf为腔体小时泄漏率，h-1;τ为检验持续的时间，min; pn为最后一次读数时室内的绝对压力，Pa; p1为第一次读数时室内的绝对压力，Pa; T1为第一次读数时的温度，K;Tn为最后一次读数时的温度，K。
恒压法通过将密封腔体内的负压维持在某一恒定水平的状态下，测量出所排出气体的流量，根据泄漏量与腔体体积之间的比值来计算泄漏率。由于腔体体积测量的准确度直接影响泄漏率的数值计算结果，因此，通常用于评价较高泄漏率或腔体内部尺寸较规整的密封腔体的泄漏率。GB 19489—2008中给出了恒压法计算小时泄漏率Tf的公式[1]:
Tf=QV1−V2 (2)Τf=QV1-V2 (2)
式中 Q为维持恒定压差的空气量，m3/h; V1为房间内空间体积，m3;V2为房间内物品体积，m3。
由于恒压法和压力衰减法均是对围护结构泄漏程度的反映，文献[4]从理论层面证明了2种方法虽然在使用的公式方面存在差异，但两者之间的测试原理具有互通性，本文不作过多赘述。图1为压力衰减法测量系统示意图，图2为恒压法测量系统示意图。
图1 压力衰减法测量系统示意图
注：T为温度计；P1为水银或无液气压计；P2为精密倾斜管式压力计或电子微压计。
图2 恒压法测量系统示意图
注：P为压力计；F为体积计量器(用于3级密封箱室)或流量计(用于4级密封箱室);R为调节阀。
1.2 空气渗透特性与泄漏量关系
由于房间的围护结构均存在一定程度的缝隙，当围护结构内外存在压差时，空气会通过缝隙从高压侧流向低压侧，通过缝隙流入或流出房间的空气量即为围护结构的泄漏量。压力衰减法的原理是根据空气渗透前后房间内空气状态参数变化，反映测试时间段内围护结构的泄漏程度，进而计算泄漏率；恒压法则利用某一压力状态下排出空气量与围护结构的泄漏量相等的原理计算泄漏率。目前，国内外用于评价房间整体缝隙空气渗透特性[5]的公式为
Q=CΔpn (3)Q=CΔpn (3)
式中 C为流量系数，m3/(s·Pan);Δp为缝隙两侧的压差，Pa; n为流动指数，反映为经过缝隙时气流的流速及流动状态，取值范围为0.5～1.0。
式(3)能够有效反映缝隙两端压差与空气渗透量之间的关系，对于恒压法而言，泄漏量通过直接测量得到，而压力衰减法可通过式(1)计算一段时间内的泄漏率，结合房间体积得到泄漏量。故2种方法均可通过现场实测数据生成压差与泄漏量的函数关系，可为二者在实测过程中数据的关联性提供对比依据。
2 气密性测试方法实验研究
2.1 实验概况
本研究选取同一地区共计6间高等级生物安全实验室作为实验对象，实验室围护结构采用混凝土结合密闭观察窗形式，门体采用压紧式气密门，通风管路末端设置生物安全密闭阀，各实验室可实现独立密闭测试。各实验室根据具体需要放置实验家具、实验仪器及关键防护设备，各实验对象体积包括围护结构体积及密闭阀关闭后阀门至房间的通风管道体积，具体情况见表1。
表1 实验对象体积
m3
房间1 |
房间2 | 房间3 | 房间4 | 房间5 | 房间6 |
266.12 |
262.30 | 202.83 | 202.26 | 159.95 | 160.69 |
2.2 压力衰减法确定泄漏量实验
根据GB 19489—2008对于气密性指标的要求[1],本次实验前保证各受测房间所有通路均处于关闭状态，将各房间压力衰减法初始值确定为-500 Pa, 同时ISO 10648-2:1994指出密封箱内部温度变化1 ℃相当于内部压力变化350 Pa[3],显然温度变化过大会对压差数据产生极大影响，因此，实验阶段控制室内温度变化幅度均不超过0.1 ℃。在满足上述条件状态下，自室内与室外环境之间的相对压差降低至-500 Pa时开始进行数据记录，记录频率为30 s一次，持续时间40 min。各实验对象压力随时间变化趋势见图3,记录数据见表2。
图3 实验对象相对压差随时间变化趋势
表2 压差及温度随时间变化结果
时间/min |
房间1 | 房间2 | 房间3 | 房间4 | 房间5 | 房间6 | ||||||
| 压差/Pa | 温度/K | 压差/Pa | 温度/K | 压差/Pa | 温度/K | 压差/Pa | 温度/K | 压差/Pa | 温度/K | 压差/Pa | 温度/K | |
0 |
-501.2 | 291.85 | -505.0 | 291.15 | -501.2 | 292.55 | -504.2 | 293.75 | -500.1 | 289.85 | -500.2 | 290.35 |
10 |
-368.8 | 291.86 | -375.1 | 291.15 | -378.9 | 292.56 | -404.0 | 293.73 | -371.6 | 289.86 | -353.6 | 290.32 |
20 |
-254.0 | 291.85 | -265.6 | 291.15 | -262.7 | 292.51 | -324.7 | 293.75 | -257.8 | 289.84 | -250.3 | 290.35 |
30 |
-159.6 | 291.83 | -176.5 | 291.15 | -195.5 | 292.56 | -239.6 | 293.71 | -177.6 | 289.86 | -160.8 | 290.36 |
40 |
-90.8 | 291.82 | -115.9 | 291.18 | -123.7 | 292.51 | -191.2 | 293.77 | -114.8 | 289.86 | -106.5 | 290.34 |
根据受测对象压力随时间变化的测试结果，将每隔30 s记录的压差及温度数据代入式(1),计算出30 s间隔内各点对应的泄漏率，结合各受试对象体积拟合生成测试周期内压差与泄漏量对应关系，压差与泄漏量对应变化趋势模拟结果见图4,受试对象空气渗透特性方程见表3。
图4 各受试对象压差与泄漏量对应变化趋势模拟结果
表3 受试对象压力衰减法拟合空气渗透特性方程
| 衰减法拟合公式 | 衰减法拟合公式 | ||
房间1 |
Q=1.220 70Δp0.600 7 | 房间4 | Q=0.973 37Δp0.528 2 |
房间2 |
Q=1.436 00Δp0.562 8 | 房间5 | Q=0.481 57Δp0.665 9 |
房间3 |
Q=0.301 97Δp0.774 0 | 房间6 | Q=0.258 97Δp0.781 8 |
实验结果表明，各受测对象均满足当房间内的压差从-500 Pa开始衰减，半衰期时间不短于20 min的要求；不同受测对象缝隙的流动指数n的取值均在0.5～1.0之间；体积近似的房间，实测泄漏量变化幅度越小，其空气渗透特性方程中流动指数n越小，且实测数据可以验证流动指数n与流量系数C之间的关系，能够遵循文献[6]中的理论计算结果。
2.3 恒压法确定泄漏量实验
恒压法测试过程中同样关闭受测房间所有通路，保证实验阶段内室内温度变化幅度均不超过0.1 ℃。各受试对象按照表2中所对应各房间相对压差的初始状态至40 min后的终止状态确定恒压法测试范围，测试范围内每个压差测试点按照间隔25 Pa选取，并依次对测量数据进行记录，测量结果拟合空气渗透特性方程见表4,各受试对象恒压法实测泄漏量与表3中衰减法模拟结果的对比见图5。
表4 受试对象恒压法拟合空气渗透特性方程
| 恒压法拟合公式 | 恒压法拟合公式 | ||
房间1 |
Q=1.073 1Δp0.592 8 | 房间4 | Q=0.886 4Δp0.529 4 |
房间2 |
Q=1.366 3Δp0.562 6 | 房间5 | Q=0.445 0Δp0.666 1 |
房间3 |
Q=0.273 2Δp0.772 6 | 房间6 | Q=0.227 8Δp0.782 3 |
图5 各受试对象恒压法实测泄漏量与衰减法模拟结果对比
实验结果表明，各受试对象恒压法测试拟合曲线流动指数n近似相等，表明无论采用恒压法或压力衰减法进行实测，结果均能有效表达同一受试对象缝隙渗透的气流流动状态，即流动指数n近似相等。就同一受试对象而言，按照恒压法测试的各点实测泄漏量均小于按照压力衰减法拟合方程计算的结果，经分析发现因房间内的家具、工艺设备、关键防护设备占用空间计算在内导致实际空气所占体积小于测量体积，造成2种测试方法的拟合结果存在差异。
3 压力衰减法与恒压法泄漏量对比分析
3.1 压力衰减法泄漏量随时间变化结果
将各受试对象压力衰减法空气渗透特性方程与压力随时间衰减趋势数据进行拟合，得到泄漏量变化与时间拟合曲线，见图6。
图6 各实验对象泄漏量随时间变化趋势
各受试对象进行压力衰减法泄漏量与时间拟合结果表明，在流动指数n各不相同的情况下，单位时间泄漏量与时间变化均呈线性关系，故泄漏量变化趋势与时间所围成的面积即为对应时间段内初始压力衰减至终止压力过程中受试对象的总泄漏量。
3.2 等效泄漏量与等效压差的确定
对压力衰减法而言，由于单位时间泄漏量与时间变化呈线性关系，其泄漏量随时间变化所围成的面积，即为该时间段内压力衰减法测试过程的泄漏总量；对于恒压法而言，由于其属于在特定压力下进行的稳定单位泄漏量测试，其泄漏量与时间变化的关系为常数，该常数与时间所围成的面积为对应时间段内的总泄漏量。当恒压法与压力衰减法在测试时间段的泄漏总量相同时，压力衰减法与恒压法单位泄漏量相交点即为恒压法的等效泄漏量，即压力衰减法初始至终止状态泄漏总量与时间的比值为该时间段内恒压法的等效泄漏量。根据受试对象等效泄漏量与对应缝隙空气渗透特性方程求出的压差为等效压差。各受试对象等效泄漏量及等效压差见表5。
表5 各受试对象对应等效泄漏量及等效压差计算结果
| 测试时间/ | 压力衰减法 | 等效泄漏量/ | 等效压差/ | ||||
| min | 泄漏量与时间关系公式 | 泄漏总量/L | 初始泄漏量/(L/min) | 终止泄漏量/(L/min) | (L/min) | Pa | |
房间1 |
40 | Q=-0.791 0τ+50.183 | 1 374.5 | 50.18 | 18.54 | 34.36 | 258.8 |
房间2 |
40 | Q=-0.690 8τ+47.251 | 1 337.4 | 47.25 | 19.62 | 33.44 | 268.5 |
房间3 |
40 | Q=-0.580 9τ+35.497 | 955.2 | 35.50 | 12.26 | 23.88 | 283.4 |
房间4 |
40 | Q=-0.266 8τ+26.006 | 826.8 | 26.01 | 15.33 | 20.67 | 325.4 |
房间5 |
40 | Q=-0.470 5τ+29.326 | 796.6 | 29.33 | 10.51 | 19.92 | 267.7 |
房间6 |
40 | Q=-0.563 7τ+31.437 | 806.5 | 31.44 | 8.89 | 20.16 | 262.6 |
数据结果表明，当各受试对象使用压力衰减法确定泄漏总量后，对应恒压法按照面积相等原理确定的等效泄漏量均为压力衰减法线性变化曲线的中位值。由于缝隙流动系数及流动指数的差异，各受试对象的等效压差计算结果存在区别。
4 分析结果的应用
由于不同缝隙的空气渗透特性方程中流动指数n的变化范围在0.5～1.0之间的特性，根据文献[6]中的公式推导结果，流动指数仅能无限接近1.0。故分别按照流动指数n为0.5和0.999 9(近似等于1.0)2种情况拟合受试对象的空气渗透特性方程，进而得出对应等效泄漏量及等效压差。拟合界定条件为2种情况下受试对象相对压差自-500 Pa衰减至-250 Pa所需时间均为20 min, 环境大气压力为101 325 Pa, 衰减过程温度不变，房间体积为100 m3。泄漏量与压差和时间的变化趋势见图7,2种状态下的等效泄漏量及等效压差见表6。
图7 流动指数n为0.5和0.999 9时泄漏量与 压差和时间的变化趋势
拟合结果表明，对于能够满足相对压差自-500 Pa衰减至-250 Pa所需时间为20 min的受试对象而言，流动指数为0.5时的房间泄漏总量略低于流动指数近似为1.0时的房间泄漏总量，即当流动指数近似为1.0时等效泄漏量最大。当流动指数为0.5时通过空气渗透特性方程还原所得的等效压差为364.3 Pa, 流动指数近似为1.0时所得的等效压差约为375.0 Pa, 该压差亦为初始至终止压差的中位值。
5 结论
表6 流动指数n为0.5和0.999 9时等效泄漏量及等效压差
| 流动指数n | 空气渗透 特性方程 |
泄漏量与时间 关系公式 |
测试时间/ min |
压力衰减法 泄漏总量/L |
等效泄漏量/ (L/min) |
恒压法等效 压差/Pa |
0.5 |
Q=0.648 7Δp0.5 | Q=-0.212 5τ+14.51 | 20 | 247.7 | 12.39 | 364.5 |
0.999 9 |
Q=0.034 3Δp0.999 9 | Q=-0.428 4τ+17.16 | 20 | 257.5 | 12.87 | 375.0 |
1) 就同一受试对象而言，压力衰减法对应时间段内压力衰减过程的泄漏总量，与按照等效压差进行的恒压法测试的泄漏总量结果相等。受仪器测试精度、环境温度、测试对象体积影响，2种方法实测过程中所得泄漏率存在一定差异。
2) 就检测方法而言，恒压法和压力衰减法之间并不存在哪种方法更严格的情况，二者区别仅在于评价测试结果的标准不同；就同一受试对象而言，对于固定时间内通过压力衰减法计算所得的气密性测试结果，始终存在按照某一等效压差进行的恒压法测试结果与其相对应。
3) 就测试结果而言，在明确压力衰减法评价标准及保证受试对象体积计算值准确的前提下，如使用恒压法按照流动指数近似为1.0确定的等效压差所得气密性测试结果能够满足评价标准，则压力衰减法测试结果必然能够满足对应评价标准。
本文引用格式：李屹，陆禹名，曹国庆，等．2种气密性测试方法在高等级生物安全实验室围护结构测试过程中的关联性探讨及研究［Ｊ］．暖通空调，2023,53（3）：31-36．
[2] 中国建筑科学研究院.生物安全实验室建筑技术规范：GB 50346—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011:6.
[3] International Organization for Standardization.Containment enclosures:part 2:classification according to leak tightness and associated checking methods:ISO 10648-2:1994[S].Switzerland:International Organization for Standardization,1994:5.
[4] 陈方圆，曹国庆.高等级生物安全实验室两种气密性测试方法的对比分析[J].建筑科学，2018,34(8):77- 81.
[5] WALKER I S,WILSON D J,SHERMAN M H.A comparison of the power law to quadratic formulations for air infiltration calculations[J].Energy and buildings,1997,27(3):293- 299.
[6] 张宗兴，赵明，衣颖，等.生物安全实验室气密性围护结构空气渗透特性研究[J].暖通空调，2013,43(1):80- 84.